基于eFlexPWM的多級串聯(lián)載波移相脈寬調制技術實現(xiàn)

參考方案簡介

隨著電力電子技術的發(fā)展，電力電子交直流變換裝置應用日益廣泛，移相載波技術可以有效的減小PWM調制過程中產生的諧波，被廣泛應用到多相多電平等場合。 本文描述了使用eFlexPWM實現(xiàn)多級串聯(lián)載波移相PWM輸出的邏輯、外設配置及實現(xiàn)方法。 本參考設計主要向讀者介紹了eFlexPWM強大功能，并給出了六路互補移相60°的PWM實例作為參考，可以指導客戶快速實現(xiàn)想要的PWM輸出模式。

eFlexPWM簡介

eFlexPWM全稱是：Enhanced Flex Pulse Width Modulator的縮寫，直譯為增強型靈活脈沖脈寬調制器。 i.MX RTxxxx系列一般具有1-4個強大的eFlexPWM(eFlexPWM1~eFlexPWM4)模塊。每個eFlexPWM有4個子模塊，可以產生四路互補PWM即產生8路PWM，也可以產生8路相互獨立的PWM波。

每個eFlexPWM模塊擁有一個向上計數(shù)的16位計數(shù)器，它僅在向上方向計數(shù)至VAL1值，然后重置為初始(INIT)值。在計數(shù)過程中，計數(shù)值與VAL2/VAL3/VAL4/VAL5寄存器中的值作比較，控制輸出電平高低翻轉。

PWM又有中心對齊、邊沿對齊、移相和雙開關模式。

每個eFlexPWM具有各自的故障檢測電路，當故障發(fā)生時根據(jù)程序鎖定PWM輸出引腳的電平狀態(tài)，這在逆變、整流及電機控制應用中能夠有效的提高設備的安全性。eFlexPWM可以產生多種多樣的開關模式，包括非常復雜的波形。它可以用來控制大部分已知的電機類型，用于控制開關電源也非常具有優(yōu)勢。

eFlexPWM主要特點

eFlexPWM脈寬調制器的主要特點如下：

16位精度，支持中央對齊、邊沿對齊和非對稱PWM輸出；

分數(shù)PWM時鐘生成器可生成高精度PWM周期和占空比；

可工作在互補輸出模式或獨立工作模式；

每個PWM輸出雙沿（上升沿/下降沿）可獨立控制；

可與外部硬件或其他PWM子模塊同步；

雙緩沖PWM寄存器，可設置1~16的整數(shù)周期重載或半周期重載；

支持PWM輸出的雙切換（周期和占空比）；

一個PWM周期可以產生多個輸出觸發(fā)事件；

故障輸入可以指定連接控制多個PWM輸出；

獨立的可編程PWM輸出極性設置；

獨立的死區(qū)時間設置；

增強型雙沿（上升沿/下降沿）捕獲功能。

PWM子模塊功能圖

圖1 PWM子模塊功能框圖

圖中各個部分說明如下：

1是時鐘源模塊，可以選擇不同的時鐘源；

2是16位計數(shù)器；

3是同步寄存器，有四個同步信號供選擇，可以初始化計數(shù)器，可以方便的和外部同步；

4是比較器，用于產生PWM波，每個子模塊有6個比較寄存器，可以產生三路的PWM。

5和7是重裝載選擇器，可以用來選擇重裝載寄存器和N個PWM周期或者半周期重裝載。

6是輸出控制模塊，比較器產生的PWM23與PWM45經過這些控制模塊轉變成PWM_A和PWM_B。主要包含互補控制，死區(qū)補償，故障保護等功能。

多級串聯(lián)PWM的實現(xiàn)

每個eFlexPWM子模塊有一個外部同步信號輸入，和兩個觸發(fā)信號輸出。外部同步輸入信號允許外部的信號源來初始化PWM計數(shù)器。通過這種方式，eFlexPWM子模塊的行為可以與外部電路同步。

兩個觸發(fā)信號輸出可以去控制其他模塊的行為，例如在特定的時刻觸發(fā)ADC采樣。

本文將使用輸出觸發(fā)信號去觸發(fā)其他eFlexPWM子模塊。

兩個輸出觸發(fā)信號分別由不同的寄存器值比較產生。當PWM計數(shù)器匹配val0、val2或val4時，TRIG0被置位。當PWM計數(shù)器匹配val1、val3或val5時，TRIG1被置位。計數(shù)器發(fā)生匹配事件后延遲兩個clock的后輸出觸發(fā)信號。

圖2 PWM子模塊外部同步輸入和Trig輸出

在一些電源應用中，需要多路PWM輸出，并且需要彼此之間有固定相移，此時就能充分凸顯i.MX RT系列eFlexPWM強大的性能。

下面我們通過輸出六路互補且彼此之間相差60°相移的PWM為實例，詳述eFlexPWM使用方法和配置。

實例要求

下面以一個具體實例來介紹，方便讀者理解和運用eFlexPWM模塊。

具體的實例要求如下：

PWM頻率為10KHz

六路互補PWM輸出

兩路之間移相60°

6路PWM輸出的邏輯如下圖所示：

圖3 6路PWM相移圖

eFlexPWM子模塊組合

用6個eFlexPWM子模塊級聯(lián)，每個子模塊輸出一路互補的PWM，因為每個eFlexPWM子模塊都有一個獨立的計數(shù)器，因此實現(xiàn)起來比較方便。

圖4 eFlexPWM子模塊串聯(lián)

通過每個前級子模塊的TRIG0去觸發(fā)后級子模塊，我們通過設置前級子模塊Val4的值來靈活的設定觸發(fā)后級子模塊的時刻。

經過這樣的組合，可以進行0-360°任意相位的相移，讀者可以很方便的調節(jié)成自己想要的相移。不需要復雜的軟件操作，通過寄存器可以方便實現(xiàn)，減小了CPU的開銷。

時序邏輯

圖5給出了載波移相的邏輯，從圖中我們可以看到六路PWM載波信號依次移相60°，后級子模塊由前級子模塊在特定時刻觸發(fā)。通過載波的移動，載波和比較器比較后產生的PWM也就產生了相應的相移。 圖5 時序邏輯

從圖5中可以看出每個后級子模塊都由前級的TRIG0觸發(fā)產生的，只要設定好觸發(fā)時刻，就可以得到所預想的相移。

后級子模塊檢測到前級子模塊的TRIG0觸發(fā)信號后，會用兩個clock時鐘去同步。再加上TRIG0輸出前有兩個clock的延遲，所以總共會有4個clock的延遲，后面實驗結果可以驗證。

測試結果

考慮到前級觸發(fā)后級的延遲，本文進行了實際測量和分析，如圖6所示測量兩相之間的時間間隔。

圖6 PWM 相移間隔圖

測量三次P1-P6的相位偏移時間，結果如下：

表1 P1-P6的相位偏移時間

因為本實例中PWM頻率是10Hz，所以P1-P6的理論間隔時間是16.667us（60°）。下表給出了實測和理論值的誤差。

表2 P1-P6的相位誤差

從測試結果我們可以看出，實測結果后級子模塊比理論有了30ns的延遲。這樣從初級子模塊，到最后級子模塊，誤差不斷積累，最后會導致最后級子模塊有150ns的延遲。如果級數(shù)更多，則誤差會更大。

因此我們需要一些方法進行補償。

延遲補償方案

因為每個后級子模塊的延遲都是固定的，所以我們可以通過把觸發(fā)時刻前移固定時長的方法補償此延遲。

根據(jù)PWM clock頻率和延遲時間我們可以計算出需要補償?shù)挠嫈?shù)值。

counter=delay_Time*PWM_Clock

本實例中PWM clock的頻率是132M，延遲是30ns，從而計算出需要補償?shù)臄?shù)值約等于4。

在程序中補償后，測量兩相波形相移如下圖所示：

圖6 補償后的PWM移相圖

從圖中可以看出兩相移相時間是16.664和理論值非常接近，考慮到測量誤差，已經基本達到設置的目標。這樣就完美的解決了延遲的問題。從而就實現(xiàn)了多級串聯(lián)載波移相的PWM輸出。